【恆星2】中子星、黑洞與星體命運的重量遊戲

想像一下：把差不多兩個太陽的重量，壓進直徑只有約二十公里、差不多一個香港那麼大的球體。站在它的表面，沒有光速三分之一那麼快根本逃不走。這不是科幻，而是宇宙中真實存在的中子星。為什麼有些星會變成白矮星，有些變成中子星，還有一些直接變黑洞？關鍵其實很「俗」：看最後核心還剩下多少質量。

星的命運：全看核心剩下多少「料」

恆星在生命末期會膨脹成紅巨星，之後外層物質被吹走或拋散，命運由「殘餘核心質量」決定：

・小於約1.4個太陽質量（錢德拉塞卡極限）：變白矮星。
・介乎約1.4至3個太陽質量：變中子星。
・大於約3個太陽質量：撐不住，變黑洞。

以太陽這種中等質量恆星為例，最後多數會留下接近原來質量的大部分成為白矮星（外層形成美麗星雲）。但如果原來是一顆有六至八倍太陽質量的恆星，到了紅巨星階段已經能把外層大量物質推走；再經歷一次猛烈的超新星爆發，把更多物質拋入太空，最後核心可能只剩兩個太陽質量──剛好落入中子星的範圍。

為什麼會有超新星：一場「塌縮＋反彈」的大戲

白矮星之所以「安靜冷卻」，是因為質量不夠大，塌縮不會造成強烈反彈；相反，大質量星在核心燃料耗盡後，重力拉垮一切，內層猛然塌縮，隨後像彈簧般反彈，把外層層層物質猛力拋走，成為核心塌縮型超新星。

一個生活化的比喻：把不同重量的球疊在一起，同時放手跌落地面，最輕的那顆往往被彈得最高。恆星也是分層的，外層較輕、內層較重；塌縮與反彈就像一次超級「彈球」，把外圍較輕的物質拋得最遠。

白矮星vs中子星：誰在抵抗重力？

白矮星靠的是「電子簡併壓」。量子規則不容許兩個電子完全處在同一個狀態，就像座位有限，兩個人不能坐同一個位置。這種壓力能頂住較弱的重力塌縮。

中子星更進一步：重力強到連電子雲都被「擠爆」──電子被壓回原子核，和質子結合變成中子。於是整顆星幾乎全是中子。這時頂住重力的是更強的「中子簡併壓」，同樣來自量子規則，但在原子核尺度，力量比電子那級強得多，足以抵抗1.4至3個太陽質量核心的塌縮。

若連中子簡併壓也頂不住（核心超過約3個太陽質量），塌縮就不會停，黑洞誕生。

中子星有多「實淨」：香港大小、太陽重量

因為電子雲之間的空隙被「擠掉」，中子星極度緊密。典型直徑只有約20公里，卻可能重達兩個太陽。你可以想像：把「兩個太陽」塞進「一個香港」之內。表面的重力強到驚人，要逃離它，理論上的逃逸速度可達光速的三分之一左右。掉落其表面的任何物質（包括你我）都會被壓得原子結構崩潰，外圍電子被擠進原子核，最後只剩下一層「中子物質」。

理論與模擬亦顯示，中子星可能有一層超硬的「殼」，內裡像液體般的中子流體能相互滑動（很多研究甚至指向超流體、超導的性質），這種結構也解釋了它們一些特別的訊號特徵。

溜冰員的秘密：為何中子星轉得那麼快？

角動量守恆是關鍵。好比溜冰員把雙臂收起就會轉得更快。一顆原本像太陽那樣需二十多日才自轉一圈的恆星，核心被壓到只有香港大小後，自轉速度暴升到每秒幾百轉，甚至接近每秒一千轉。這麼快的旋轉會把任何微小的磁場大幅放大。

地球與太陽的磁場都源自內部導電「流體」的運動；中子星也一樣，但更極端——磁場強得可把電子拉出高能軌道，形成驚人的輻射與噴流。這也是為何我們相信它們的內部不是完全固體，而是帶有能「流動」的核心。

燈塔效應與脈衝星：我們是怎樣看見它們的？

如果中子星的磁軸與自轉軸不重合，南北磁極會射出沿磁力線的帶電粒子噴流。當中子星自轉，這兩束「探照燈」會像燈塔掃過太空。如果地球剛好在掃過路徑上，我們就會定時收到一次「叮」的一束電磁訊號——這就是脈衝星。部分脈衝星每秒眨眼數百次，節拍準得像原子鐘。

1967年，人類首次發現脈衝星；而早在公元1054年，宋代史書就記下了一次白天也能見到的超新星。今日我們看到那次爆炸留下的蟹狀星雲，中心就躺著一顆脈衝星，穩定地向我們送出週期訊號。

黑洞：當連中子也投降

若核心最後超過約3個太陽質量，中子簡併壓也無法支撐，塌縮不可逆地繼續，形成黑洞。這時候逃逸速度超過光速，任何東西（包括光）都出不來，外界只能透過周邊物質的極端表現去「看見」它的存在。

重點小結：一張圖像看到底

・命運的關鍵：紅巨星收場後，核心剩下的「最終質量」。
・白矮星：核心小於約1.4太陽質量；靠電子簡併壓支撐；大小數千公里；溫和冷卻。
・中子星：核心約1.4–3太陽質量；電子被擠入原子核，轉為中子；靠中子簡併壓支撐；直徑約20公里；表面逃逸速度可達光速約1/3；自轉極快，磁場極強，可見為脈衝星。
・黑洞：核心大於約3太陽質量；連中子簡併壓也頂不住，塌縮成黑洞。
・超新星的角色：大質量星的必經之路，是「塌縮＋反彈」把外層拋出，並決定最後核心的重量。